Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012) (1095849), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

Подобные антенны просты по конструкции, имеют низкую стоимость, малыегабаритные размеры имассу, обеспечиваютвысокуюповторяемость размеров.К настоящемувремени предложенои разработано большое число типов печатных антенн:- вибраторные,возбуждаемые индукРисунок 5.11 – Прямоугольные печатные антентивно или кондуктивны с питанием коаксиальной (а) и полосковойно; шлейфовые виблиниями (б, в)раторы;- щелевые, воз-103буждаемые микрополосковой линией; щелевые антенны с микрополосковымрезонатором;- плоские двумерные печатные антенны (ПА): плоские ПА резонансныеи нерезонансные; ПА с распределенным возбуждением и др.Наиболее распространены печатные излучатели в виде металлическихструктур (пластин) 1 правильной прямоугольной (рис. 5.11,а), круглой или неправильной (эллиптической) геометрических форм, расположенных над слоемдиэлектрика 2 с металлическим экраном 3.

Возбуждение печатных антенносуществляется с помощью коаксиальной (рис. 5.11,а) либо полосковой (рис.5.11,б, в) линии. В качестве диэлектрического основания используются диэлектрики с параметрами εr =2,5-10,0, tg  104  103 при толщине основанияh  (0,1 -0,01) λ. При рассмотрении печатных резонансных антенн (прямоугольных или круглых) предполагают, что объемный резонатор ПА, образованный экраном и пластиной, ограничен вертикальными стенками из идеального магнитопроводящего материала, расположенными по периметру пластины.В прямоугольных ПА (рис. 5.12, а) обычно используется низший тип резонанса, когда L  Л 2, где Л    r , - длина волны в полосковой линиипередачи с шириной рабочего полоска l  Л 2 . Составляющая электрического поля Ez в поперечном сечении полосковой линии (координата Y) между пластиной и экраном распределена равномерно, а в продольном (координата X) по синусоидальному закону с пучностями на краях пластины.Для проведения анализа характеристик ПА могут быть использованыразличные подходы к построению математической модели излучающей системы.

Так, в случае «токового метода» граничную задачу формулируют в видесистемы интегральных уравнений относительно скалярных компонентов векторной функции распределения электрического тока на проводящей пластинеj  x, y  . Ввиду сложности решения подобной электродинамической задачичаще применяют более простую модель излучающей системы, согласно которой ПА представляется как эквивалентная щелевая антенна в плоском бесконечном экране без диэлектрика. Точность такой модели достаточна для понимания принципа работы антенны и ориентировочных расчетов поля излучения.

Форма эквивалентной щели совпадает с формой краев металлическойпластины.На рис. 5.12, б приведено распределение плотности магнитных токов jxMи j yM в эквивалентной щели, построенное на основе картины распределенияполя Ez в резонаторе прямоугольной ПА ( j M  nE  , n - внешняя нормаль кстенке резонатора). Основную роль в формировании поля излучения играютравномерно распределенные синфазные токи j1M и j2M (поля открытых торцоврезонатора; x  L 2,  L 2 ), создающие линейно поляризованное излучение свектором E , параллельным оси х.

Токи на боковых стенках104y l2, l 2 j3M и j4M содержат противофазные участки и слабо участвуютв излучении (они формируют кроссполяризационную составляющую поля вовнешней области).Используя методику расчета полей излучения (см. п. 1.1), для ДН прямоугольной ПА, точка возбуждения которой находится на оси х (рис. 5.12,а),можно получить следующие выражения: kl2cos  cos  sin  2 r ,f  xoz 2 2   r cos  ctg  kh   klsin  sin  2cos   2,f yoz    2klcos 2    ctg  kh  sin 2где    r  sin 2 .На рис. 5.13 в качестве примера приведены расчетные ДН прямоугольной ПА в плоскостях Е (плоскость xoz) и Н (плоскость yoz) для следующих исходных данных:  r  2,3; L  r  0,498; h   6,84 103; L  l.Коэффициент направленного действия прямоугольной ПА из-за совместного излучения двух торцевых щелей составляет 3,5 - 7,0, что выше КНДодносторонней полуволновой щелевой антенны.

При этом меньшим значениям КНД соответствуют более высокие значения диэлектрической проницаемости подложки, уменьшающие размеры пластины и снижающие направленность.При оценке коэффициента усиления ПА следует учитывать, что их КПДлежит в пределах (50-80)% из-за потерь мощности в пластине и экране, неиде-105альном диэлектрике подложки, а также из-за ответвления части подводимой кантенне мощности в возникающую поверхностную волну.Входное сопротивление антенны регулируется подбором положенияточки питания.

В случае ПА прямоугольной формы оно максимально при питании с края (несколько сотен Ом) и изменяется пропорциональноcos2  x0 L  при расположении точки подключения питающей линии на расстоянии х0 от кромки излучателя (исключая центр ПА).

Выбор правильногоположения точки питания при сохранении настройки на резонанс устраняетнеобходимость применения отдельных согласующих устройств.В печатных излучателях круговой поляризациииспользуетсявозбуждение двух ортогональных токов с помощью раздельных линий(двухканальныйквадратный излучатель).Точки подключения линий питания в таком излучателе располагаютсяна основных геометрических осях на одинакоРисунок 5.13 – Диаграмма направленностивом удалении от центраПА в главных плоскостяхантенны (см. рис. 5.11,б). Сдвиг фаз 90° междутоками обеспечивается за счет фазового сдвига возбуждающих сигналов в отдельных каналах.В одноканальных печатных излучателях круговой поляризации подключение линии передачи осуществляется в точке, расположенной на одной издиагоналей антенны прямоугольной формы.

Требуемые фазовые соотношениямежду ортогональными составляющими тока достигаются использованием фазосдвигающих элементов связи или небольшой расстройкой между токами соответственно в сторону высоких и низких частот. В качестве фазосдвигающихэлементов связи применяются щели, индуктивные штыри и др. Расстройкамежду токами излучателя может быть осуществлена за счет выбора соотношения между размерами сторон прямоугольного излучателя (рис. 5.11,в).К недостаткам печатных антенн относится их относительная узкополосность: f f  5% Увеличение полосы пропускания можно получить за счетуменьшения диэлектрической проницаемости подложки и увеличения высотыпластинки над экраном.

Использование этих средств позволяет расширить полосу частот одиночных излучателей до 15%.106Печатные антенны используются в диапазоне частот от 300 МГц до 20ГГц. Уровень мощности, излучаемой печатной антенной, не превышает 100Вт.5.6Активные слабонаправленные антенныНовые возможности влияния на характеристики антенн дает непосредственное сочетание пассивных антенн с такими электронными и твердотельными (активными) приборами, как электровакуумные лампы, транзисторы,туннельные диоды. Перечисленные антенные устройства называют активными антеннами.

Токи (напряжения) в этих антеннах определяются и свойствами активного элемента (усилителя, автогенератора).На рис. 5.14,а схематично показаны возможные структуры активныходиночных излучателей с включенными (встроенными) активными элементами (АЭ) на диодах или транзисторах. При этом АЭ включены в излучатели соответственно по схемам двух-, трех- и четырехполюсников.Активные антенны в общем случае - нелинейные и невзаимные устройства.

Включение активного элемента в излучатели позволяет уменьшать размеры антенн, расширять полосу пропускания антенн, имеющих малую электрическую длину, улучшать чувствительность приемных или КПД передающих систем, обеспечивать электрическое управление распределением тока наизлучателе.Активные слабонаправленные антенны могут быть как приемными и передающими, так и приемопередающими.

Активные приемные антенны подразделяются на антенны-усилители (АУ), антенны-детекторы, антенныпреобразователи.Активные передающие антенны делятся на антенны-генераторы и антенны-усилители мощности (АУМ). Активная часть схемы передающих антенн может включать каскады умножения частоты сигнала.На рис. 5.14,б показана схема вибраторной АУ на транзисторе (элементыразвязки в цепи питания на рисунке опущены). Транзисторный усилитель работает при фиксированном смещении, обеспечивая максимальное усилениеили минимальную шумовую температуру. Изменением положения точки Вподключения входной цепи усилителя к полуволновому вибратору и емкостиконденсатора С излучатель согласуют с входной цепью транзисторного усилителя.

В таких антеннах при коэффициенте усиления порядка 12 дБ (метровыйдиапазон волн) отношение сигнал/шум выше, чем у пассивного вибратора скабелем и обычными согласующими устройствами.Возможная схема построения излучателя малых размеров с туннельнымдиодом в его верхней части, выполненная по первому варианту (рис. 5.14,а),показана на рис. 5.14,в. В верхнюю часть излучателя параллельно диоду по ВЧвключен короткозамкнутый шлейф. Подбирая проводимость диода и длинушлейфа, можно повысить активное входное сопротивление коротких излуча-107телей, получить усиление в полосе частот, изменить распределение тока по излучателю. Во всех схемах с туннельными диодами серьезную проблему представляет предотвращение их самовозбуждения, для чего в данной схеме использован стабилизирующий двухполюсник, имеющий весьма малуюсобственную индуктивность.Рисунок 5.14 – Активные слабонаправленные антенны:а) – варианты включения активных элементов в излучатели;б) – вибраторная антенна – усилитель на транзисторе;б) - несимметричный вибратор со встроенным активным элементом108На рис.5.15,а показано изменение в диапазоне частот f нормированныхзначений входного сопротивления X W , R W пассивного несимметричногоизлучателя с верхней емкостной нагрузкой (кривая 7) и того же излучателя странзисторным АЭ (схема с общим коллектором), включенным в излучательпо схеме трехполюсника (см.

Характеристики

Список файлов книги